Phân tích xác suất các thông số đất nền để dự báo thời gian cố kết trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Bài viết trình bày phương pháp phân tích khả năng xác định các thông số đất với mục đích thiết kế cống dọc và kết quả của ứng dụng để điều trị đất yếu tại xử lý khí Cà Mau.

PHÂN TÍCH XÁC SUẤT CÁC TH SỐ ĐẤT NỀN

ĐỂ DỰ BÁO THỜI GI N CỐ KẾT TRONG XỬ Ý NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤ

PHẠM QUANG TÚ *

NGUYỄN VĂN TUẤN**

Determining soil parameters by probability analysis for vertical drain design

Abstract: The paper presents the probability analysis method of

determining soil parameters for the purpose of vertical drain design and the results of application for soft soil treatment at Ca Mau Gas Processing Plant The consolidation time from the probability analysis method is greater than from standard method, concretly 1.29 time for the calculated case The parameter the most influent on the prediction results is vertical consolidation coefficient Cv

1 GIỚI THIỆU *

Trong công tác xử lý nền đất yếu thì việc dự

báo chính xác thời gian cố kết với độ cố kết yêu

cầu là vô cùng quan trọng Nếu thời gian cố kết

thực tế thấp hơn dự báo thì việc xử lý nền là

không cần thiết, lãng phí về kinh tế, ảnh hưởng

đến tiến độ tổng thể của dự án Sẽ có nhiều tình

huống phiền phức nảy sinh khi thời gian cố kết

dự báo thấp hơn thực tế như thêm biện pháp xử

lý để đạt độ cố kết yêu cầu hoặc chấp nhận bị

phạt khi không đạt thời gian hoàn thành Do

vậy vấn đề đặt ra là tìm cách tính toán thời gian

cố kết sát với với thực tế nhất là hết sức cần

thiết, có ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học

Nhiều mô hình tính toán đã được đưa ra

(Terzaghi ,1925 13; Barron,1948 10) Sự

chính xác của kết quả tính toán phụ thuộc vào:

 Độ chính xác và độ tin cậy của các tham

số đất nền thu được từ các thí nghiệm hiện

trường và trong phòng;

 Sự đúng đắn của mô hình tính toán;

 Hiệu quả của biện pháp xử lý đất nền

*

Đại học Thủy lợi Hà Nội

Email: phamquangtu@wru.vn

**

Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

Các yếu tố nêu trên gọi là các yếu tố không chắc chắn (bất định) Những yếu tố bất định trong các bài toán địa kỹ thuật đã được nhiều tác giả trên thế giới đề cập như Terzaghi(1960); Peck (1969); Casagrande (1965); Whitman,

1984, 2000; Kulhawy, 1992; Paté-Cornell, 1996; Vrijling và van Gelder, 1998, 2005; van Gelder, 2000; Vrouwenvelder và Calle,2003; Baecher và Christian,2005; Fenton và Griffiths, 2008; Phoon, 2008; Kanning,2012;)

Ở nước ta, lý thuyết thiết kế ngẫu nhiên (các thông số đầu vào bất định) đã được các nhà khoa học tiếp thu từ các nước Liên Xô cũ và Đông Âu từ lâu nhưng cũng chỉ dừng lại ở lý thuyết và ứng dụng hẹp trong một số lĩnh vực Khoảng 10 năm gần đây, các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực tài nguyên nước, kỹ thuật biển,…đã phát triển mạnh lý thuyết và ứng dụng trong các lĩnh vực đó trên cơ sở hợp tác nghiên cứu, đào tạo với các nước Tây-Bắc Âu (Hà Lan, Đức, Anh, Na Uy,…) 3, 4 Trong địa kỹ thuật các công trình nghiên cứu của tác giả Trịnh Minh Thụ, Phạm Quang Tú, 20105 và Phạm Quang Tú, 20146 đã ứng dụng lý thuyết này để giải quyết một số bài toán cụ thể Tuy nhiên việc nghiên cứu và ứng dụng trong địa kỹ

thuật chưa nhiều Trong bài báo này, tác giả tập

trung so sánh ưu điểm của thiết kế theo lý thuyết

ngẫu nhiên và truyền thống (phương pháp tất

định) thông qua bài toán dự báo thời gian cố kết

trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm, đồng

thời chỉ ra các tham số có ảnh hưởng lớn nhất

tới kết quả tính toán

2 LÝ THUYẾT CỐ KẾT THẤM

2.1 Lý thuyết cố kết thấm một hướng của

Terzaghi

Lý thuyết cố kết thấm một hướng của

Terzaghi, 1925 13 là lý thuyết cơ bản của bài

toán cố kết và đã được áp dụng rộng rãi để tính

toán tốc độ nén của đất và tốc độ tiêu tán áp lực

nước lỗ rỗng cho loại đất có hệ số thấm nhỏ

Phương trình cố kết thấm một hướng của

Terzaghi:

Trong đó:

Cv – hệ số cố kết theo phương đứng của đất

yếu (m2

/ngày)

kv – hệ số thấm theo phương đứng của đất

yếu (m/ngày)

a – hệ số nén lún của đất yếu (m2/kN)

0 – hệ số rỗng tự nhiên

n – trọng lượng riêng của nước (10kN/m3)

Lời giải phương trình (1) viết thông qua

độ cố kết trung bình thẳng đứng Uv của cả

lớp đất là:

Trong đó:

m – hệ số không thứ nguyên

Cv – hệ số cố kết theo phương đứng của đất yếu (m2

/ngày)

t – thời gian (ngày)

Hdr – chiều dài của đường thoát nước lớn nhất (m)

Tv – nhân tố thời gian, không thứ nguyên Tính toán độ cố kết trung bình theo phương thẳng đứng của cả lớp đất với thời gian t theo công thức (3) Để tiện lợi hơn trong tính toán Casagrande,1938 và Taylor,1948 đã cung cấp cách tính toán gần đúng sau đây:

a) Khi Uv <60%

b) Khi Uv >60%

2 2 ý ế cố kế ấm n an (x ên âm) của Ba on (1948)

Để rút ngắn thời gian cố kết, một số biện pháp xử lý nền được áp dụng như xử lý bằng bấc thấm, cọc cát,…Trong đó, một hệ thống thoát nước thẳng đứng được tạo ra với nguyên

lý là rút ngắn chiều dài đường thoát nước lỗ rỗng của lớp đất có hệ số thấm nhỏ tới bề mặt tự

do (Hình 1)

Hình1 Vật thoát nư c thẳng đứng và đường

thoát nư c ngang

C

Barron, 1948 10 đã nghiên cứu bài toán cố

kết trong trường hợp có vật thoát nước thẳng

đứng Ông giả thiết nếu chỉ có thoát nước

ngang thì phương trình vi phân cố kết là:

Trong đó:

Ch – hệ số cố kết theo phương ngang của đất

yếu (m2

/ngày)

u – áp lực nước lỗ rỗng trung bình tại một

điểm bất kỳ với thời gian t (kN)

t – thời gian sau sự gia tăng tức thời của ứng

suất tổng thẳng đứng (ngày)

r – bán kính khoảng cách từ điểm xét tới

trung tâm trụ đất thoát nước (m)

Độ cố kết trung bình theo phương ngang của

cả lớp đất với thời gian t được tính theo công

thức sau (TCVN 9355, 2013) 2:

Trong đó:

Th - nhân tố thời gian theo phương ngang

F(n) – nhân tố xét tới ảnh hưởng của khoảng

cách bố trí bấc thấm

Fs – nhân tố xét đến ảnh hưởng của xáo động

Fr – nhân tố xét đến sức cản của bấc thấm

Nhân tố thời gian theo phương ngang theo

công thức sau:

Trong đó:

D – là đường kính ảnh hưởng của bấc

thấm (m)

Nếu bố trí bấc thấm theo kiểu ô vuông,

D = 1,13L

Nếu bố trí bấc thấm theo kiểu tam giác,

D = 1,05L

L là khoảng cách giữa tim các bấc thấm (m)

Nhân tố xét đến ảnh hưởng của khoảng cách

bố trí bấc thấm xác định theo công thức sau:

Ở đây:

dw – là đường kính tương đương của bấc thấm (m)

a, b – tương ứng là chiều dày và chiều rộng bấc thấm (m)

Nhân tố xét đến ảnh hưởng của xáo động đất nền khi đóng bấc thấm xác định theo công thức sau:

Trong đó:

kh – hệ số thấm theo phương ngang của đất yếu khi chưa đóng bấc thấm (m/ngày)

ks – hệ số thấm theo phương ngang của đất yếu sau khi đóng bấc thấm (m/ngày)

ds – đường kính tương đương của vùng đất bị xáo động xung quanh của bấc thấm (m) Thực tế thường dùng:

Nhân tố xét đến sức cản của bấc thấm có thể tính toán qua công thức sau:

Trong đó:

H – chiều dài tính toán của bấc thấm (m) Nếu chỉ có một mặt thoát nước phía trên thì H bằng chiều sâu đóng bấc thấm, nếu có hai mặt thoát nước (cả trên và dưới) thì lấy H bằng một nửa chiều sâu đóng bấc thấm

kh – hệ số thấm của đất theo phương ngang của đất yếu khi chưa đóng bấc thấm (m/s)

qw – khả năng thoát nước của bấc thấm tương đương với gradient thủy lực bằng 1, lấy

u

t

u

r

2

u

r2

theo chứng chỉ xuất xưởng của bấc thấm, tính

bằng m3

/s

Thực tế tính toán có thể lấy tỉ số kh/qw:

kh/qw = 0,000 01  0,001m-2 đối với đất yếu

loại sét hoặc sét pha

kh/qw = 0,001  0,01m-2 đối với than bùn

kh/qw = 0,01  0,1m-2 đối với bùn cát

2.3 Phương pháp Barron – Tezaghi

Carillo, 1942 11 đã phát triển phương pháp

kết hợp độ cố kết theo phương ngang và thẳng

đứng để thu được độ cố kết tổng:

trong đó:

U – độ cố kết tổng trung bình của lớp đất yếu

sau thời gian xử lý t

Uv - độ cố kết trung bình theo phương đứng

của lớp đất yếu sau thời gian xử lý t

Uv - độ cố kết trung bình theo phương ngang

của lớp đất yếu sau thời gian xử lý t

3 Tổng quan về Nhà máy xử lý Khí

Cà Mau

3.1 Điều kiện địa chất

Mặt cắt địa chất điển hình trong khu vực

được thể hiện trong hình 2

Hình2 Mặt cắt địa chất điển hình trong khu vực

nghiên cứu ([7] )

Theo báo cáo khảo sát địa chất cho giai đoạn thiết kế cơ sở (BB.G -VSP-PVE-SV-60-PLREP-001) [7] và Báo cáo khảo sát địa hình

và địa chất dự án nhà máy xử lý Khí Cà Mau do Tổng Công ty tư vấn thiết kế dầu khí thực hiện vào tháng 12/2014 trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật [8], khu vực có mặt tầng đất yếu sét hữu

cơ dẻo cao, đôi chỗ xen kẹp cát, màu xám nâu, xám xanh, xám đen, trạng thái dẻo chảy phân bố tới độ sâu từ 17-18m tính từ mặt đất tự nhiên, nền ở trạng thái cố kết thường

3 2 Yê cầ kỹ ậ của côn ác xử lý nền

Bảng 1 Yêu cầu kỹ thuật của công tác xử lý nền (theo [9])

Khu vực bồn bể

và khu vực kỹ thuật trạm xử lý

khí

Khu vực đường nội bộ

Các khu vực phụ

trợ

1 Tiến độ xử lý nền (ngày) 180 180 180

2 Độ cố kết của nền dưới tải

trọng khai thác ( )

> 90% > 90% > 90%

3.3 Khoảng cách và chiều sâu bấc thấm

Khoảng cách bấc thấm được thiết kế là

1,0mx1,0 m và bố trí theo lưới hình vuông

Bấc thấm được thiết kế cắm hết lớp 1, chiều

sâu từ mặt đất tự nhiên trung bình xấp xỉ là 17,0

m, và từ mặt đất sau khi san lấp là 19,0 m

3 4 ả ọn n oán on a đoạn

xử lý

Bảng 2 Bảng tải trọng tính toán trong giai đoạn xử lý (theo [9])

Chiều dày (m)

Dung trọng riêng

 (T/m 3 )

Tải trọng (T/m 2 )

(6) Tải trọng bù lún trong quá trình thi công san lấp 0.3785 1,7 0,64

(9) Tổng tải trọng gia cố = (5)+(6)+(7)+(8) 11,50

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

4.1 Phương pháp thiết kế truyền thống

(theo tiêu chuẩn)

Theo các tiêu chuẩn thiết kế bấc thấm hiện

hành TCVN 9355, 2013 2, 22TCN 262, 2000

1, thì việc tính toán được tiến hành theo các

công thức từ (1) tới (17) như đã nêu ở mục 2,

với các thông số đầu vào của nền đất yếu và bấc

thấm (nền đất yếu: Cv, Ch, Hdr, kh, kv, ks; bấc

thấm: L, a, b, H, qw, kiểu bố trí) Các thông số

này được xem là hằng số (deterministic), chính

vì vậy gọi phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn

là phương pháp tất định

4.2 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

(bất định)

Là phương pháp mà các thông số đầu vào là

các đại lượng biến đổi ngẫu nhiên Trình tự tính

toán thời gian cố kết theo phương pháp thiết kế

ngẫu nhiên như sau:

 Bước 1: Xác định hàm phân phối của

các tham số đất xử lý

Phần mềm BestFit được sử dụng để tìm hàm

phân phối phù hợp nhất cho các thông số bất

định của đất nền Cv, kh/ks, Ch/Cv,

 Cv (200kPa)

Hàm phân phối phù hợp cho tham số Cv là

hàm lognormal có giá trị trung bình là 2.51e-3

m2/ngày; độ lệch chuẩn  = 1.28e-3 m2/ngày

(Hình 3)

Hình 3 Hàm phân phối của Cv ở cấp áp lực 200kPa

 Tỉ số kh/ks

kh – hệ số thấm theo phương ngang của đất yếu khi chưa đóng bấc thấm (m/ngày)

ks – hệ số thấm theo phương ngang của đất yếu sau khi đóng bấc thấm (m/ngày)

Theo Holtz ,199112 tỉ số kh/ks biến đổi từ 1,5 đến 2 Giả thiết hệ số kh/ks tuân theo luật phân phối lognormal với giá trị trung bình là 2,0

và độ lệch chuẩn  = 0,5 Vậy kh/ks có hàm phân phối Lognormal(2.0, 0.5) (Hình 4)

Hình 4 Phân ph i của tỉ s kh/ks

 Tỉ số A = Ch/Cv

Thông thường hệ số cố kết theo phương

ngang Ch không được xác định trực tiếp bằng thí

nghiệm mà được xác định thông qua tỉ số A(Ch

= A* Cv) Tỉ số A được giả thiết tuân theo luật

phân phối Lognormal(3.0, 0.5) (Hình 5)

Hình 5 Phân ph i của tỉ s A = Ch/Cv

 Bước 2: Xác định các tham số tất định

 D - Đường kính ảnh hưởng của bấc thấm

D = 1,13*L = 1,13*1 = 1,13m

 dw – là đường kính tương đương của bấc thấm

Với a = 4mm = 0,004m; b = 10cm = 0,1m nên dw = 0,06624 m

 ds/dw = 2

 kh/qw = 0,000 01m-2

 Bư c 3: Tính toán thời gian c kết v i

thời gian là để đạt độ c kết U>90%

Sử dụng phần mềm VaP để tính toán

4.2 Kết quả tính toán

Việc tính toán thời gian cố kết được tiến hành theo các công thức từ (1) tới (17) như đã nêu ở mục 2

Phương pháp thiết kế truyền thống sử dụng các tham số hoàn toàn là xác định

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên sử dụng một vài tham số biến ngẫu nhiên với các phân phối tương ứng như ở mục 4.2 Các kịch bản khác nhau được áp dụng trong phương pháp thiết kế ngẫu nhiên để tìm ra được tham số đất nền có ảnh hưởng lớn nhất tới kết quả tính toán

Bảng 3 Bảng kết quả tính toán theo phương pháp thiết kế tất định và ngẫu nhiên

Trường hợp tính

kết (ngày)

Độ cố kết(%)

TH1: Các tham

số là tất định

(Phương pháp

thiết kế truyền

thống)

D (m)

Tất định

TH2: Chỉ cho

k h /k s biến đổi

D (m)

Tất định

C v (m2/ngày) Tất định 2.51E-3

TH3: Chỉ cho A

biến đổi

Trường hợp tính

toán Tham số Hàm Gía trị Thời gian cố kết (ngày) kết(%) Độ cố

H (m)

Tất định

19

TH4: Cho A và

k h /k s biến đổi

D (m)

Tất định

C v (m2/ngày) Lognormal 2,51E-3

TH5: Chỉ cho

C v biến đổi

D (m)

Tất định

C v (m2/ngày) Lognormal (2.51e-3;

1.28e-3)

TH6: Cho C v và

k h /k s biến đổi

D (m)

Tất định

C v (m2/ngày) Lognormal (2.51e-3;

1.28e-3)

TH7: Cho C v và

A biến đổi

D (m)

Tất định

C v (m2/ngày) Lognormal (2,51e-3;

1.28e-3)

TH8: Cho C v ,

k h /k s và A biến

đổi

D (m)

Tất định

Trường hợp tính

toán Tham số Hàm Gía trị Thời gian cố kết (ngày) kết(%) Độ cố

C v (m2/ngày) Lognormal (2,51e-3; 1,28e-3)

5 THẢO LUẬN

Từ kết quả tính toán ở bảng 3 ta có nhận xét sau:

Tính toán theo phương pháp truyền thống

và ngẫu nhiên có kết quả chênh lệch nhau khá

nhiều (137 ngày và 177 ngày) Thời gian cố kết

theo phương pháp ngẫu nhiên gấp1,29 lần thời

gian cố kết theo phương pháp tất định

 Từ các kịch bản khác nhau (TH2 đến TH8)

cho thấy tham số có ảnh hưởng nhất đến kết quả

tính toán là hệ số cố kết theo phương thẳng

đứng Cv, là nguyên nhân gây ra sự sai lệch giữa

phương pháp truyền thống và tất định

 Hệ số cố kết theo phương thẳng đứng Cv có độ

lệch chuẩn càng cao thì sự sai khác này càng lớn

Kiến nghị:

 Nên dùng phương pháp thiết kế ngẫu

nhiên thay cho phương pháp truyền thống vì với

phương pháp thiết kế ngẫu nhiên, các thông số

đầu vào là các đại lượng biến đổi ngẫu nhiên,

phản ánh đúng bản chất biến thiên của các tham

số đầu vào từ đất nền

 Lấy mẫu và thí nghiệm chỉ tiêu Cv cần hết

sức lưu ý tránh sai sót

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bộ Giao thông vận tải (2000), Tiêu chuẩn

thiết kế đường ô tô 22TCN 263:2000

2 Bộ Khoa học và Công nghệ (2013), Gia

c nền đất yếu bằng bấc thấm – thiết kế, thi

công và nghiệm thu TCVN 9355:2013

3 Mai Văn Công (2006), Thiết kế công trình

theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin

cậy, Trường Đại học Thủy lợi

4 Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Hữu Bảo,

Nguyễn Lan Hương (2014), Cơ sở tính độ

tin cậy an toàn đập, Nhà xuất bản Xây dựng,

Hà Nội

5 Phạm Quang Tú, Trịnh Minh Thụ,

P.H.A.M.J van Gelder, Ứng dụng lý thuyết độ

tin cậy phân tích ổn định sườn d c, Tạp chí KHKT Thủy lợi &Môi trường

6 Phạm Quang Tú (2014), Reliability

analysis of the Red River Dike system in Viet Nam (PhD Thesis), TU Delft, Delft

7 Tổng Công ty tư vấn thiết kế dầu khí –

CTCP (2014), Báo cáo khảo sát địa chất cho

giai đoạn thiết kế cơ sở (BB G-VSP-PVE-SV-60-PL-REP-001)

8 Tổng Công ty tư vấn thiết kế dầu khí –

CTCP (2014), Báo cáo khảo sát địa hình và địa

chất dự án nhà máy xử lý khí Cà Mau

9 Tổng Công ty tư vấn thiết kế dầu khí –

CTCP (2015), Thuyết minh thiết kế xử lý nền

(304119-PVE-FD-CI-RP-201)

10 Barron R.A.,Consolidation of

fine-grained soils by drain wells, Trans., ASCE

2346, 1948

11 Carillo N., Simple two-and three

dimensional cases in the theory of consolidation

of soils, Journal of Math Phys.,21, 1942

12 Holtz R.D et al, Prefabricated Vertical

Drains, design and performance, Butterworth

Heinemann, ISBN 07506 10166, 1991

13 Terzaghi, K., Erdbaumechanik, Franz

Deuticke, Vienna, 1925

Người phản biện: PGS.TS ĐÀO VĂN TOẠI